單片機控制的步進電機驅(qū)動

1、單片機原理課程設計題 目步進電機控制系統(tǒng)學 院物聯(lián)網(wǎng)工程 專 業(yè)自動化姓 名羅之韻學號綜合得分2011年 6月目錄一、概述二、設計目的及準備1.實驗目標思路三、系統(tǒng)工作原理1.步進電機原理2.單片機最小系統(tǒng)3.采樣原理4.數(shù)據(jù)存儲單元安排5.按鍵及顯示原理6.中斷處理四、主要芯片說明及硬件線路2.ULN2003A3.硬件原理圖4.PCB實驗板五、軟件編程1.程序框圖2.按鍵及指示燈功能3.程序流程圖4.主程序設計六、總結(jié)參考文獻一、概述關鍵詞：51系列單片機 步進電機 調(diào)速轉(zhuǎn)向控制步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流。步進電機是將電脈沖信

2、號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。正常情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機分為反應式、永磁式、混合式三類。其中混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點，它的動態(tài)性能好，控制精度高，是目前應用最為廣泛的一種。單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的

3、CPU、RAM、ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機已經(jīng)成為電子系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)采集、信息處理、通信聯(lián)絡和實施控制的重要器件。通常利用單片機技術在各種系統(tǒng)、儀器設備或裝置中，形成智能式嵌入系統(tǒng)或子系統(tǒng)。因此單片機技術是電類專業(yè)特別是電子信息類學生必須具備的基本功。而步進電機就是單片機技術在日常電子產(chǎn)品中的一項重要應用。步進電機是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。并且人們還利用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀、磁盤光盤驅(qū)動器、各種自動控制閥、各種工具等機械裝置。步進電機是機電數(shù)字控制系統(tǒng)

4、中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應用。大規(guī)模集成電路的發(fā)展和單片機技術的日益成熟和普及應用，為設計生產(chǎn)功能更全，使用更加方便的步進電機驅(qū)動控制器提供了更多的技術支持。本文便是基于51系列單片機對步進電機控制系統(tǒng)的設計。二、設計目的及準備1.實驗目標(1) 了解步進電機的基本結(jié)構和工作原理 (2) 熟悉步進電機的驅(qū)動原理(3) 鞏固單片機的硬件接線及軟件編程(4) 進一步掌握單片機仿真軟件應用(5) 掌握用單片機對步進電機的啟動停止、轉(zhuǎn)向、速度等功能的程序設計方法(6) 提高單片機應用系統(tǒng)設計和調(diào)試水平2.設計思路Keil設計步進電機控

5、制器。在進行控制的時分別用一個撥碼開關控制步進電機啟動停止，一個開關控制正反轉(zhuǎn)，另兩個開關進行高中低檔三檔調(diào)速；同時用一個LED顯示步進電機啟動停止，用兩個LED燈來顯示電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，用三個LED等來顯示電機的高中低運行狀態(tài)。軟件編程使用匯編語言，步進電機控制系統(tǒng)進入工作狀態(tài)的默認模式為低速正轉(zhuǎn)。3.儀器設備 (1) PC機(2) DP-51PRO.NET 單片機仿真器，編程器，實驗儀三合一綜合平臺 (3) 導線三、系統(tǒng)工作原理1.步進電機原理步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。該步進電機為一四相步進電機，采

6、用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如下圖所示：單四拍 雙四拍 八拍步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制步進電機的啟動 利用軟件編程判斷啟動開關是否被打開，如果打開，則電機進入工作狀態(tài)。(2)控制步進電機的換相順序及

7、轉(zhuǎn)向通電換相這一過程稱為脈沖分配，其各相通電順序為AB-BC-CD-DA，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C,D相的通斷。如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。2.單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括振蕩電路和復位電路兩部分。振蕩電路用12M晶振，這樣一個機器周期1us。復位電路采用手動復位，當按下RESET按鍵，電阻R1、R2接通5V電源，此時R2分得電壓大

8、約為4V,為高電平，即置單片機RST腳為高電平，單片機復位。3.采樣原理進電機根據(jù)單片機發(fā)出的脈沖序列來決定其工作方式為單四拍、雙四拍和八拍，并能將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移。根據(jù)步進電機接收到的脈沖序列的不同，決定其自身的通電相序。4.數(shù)據(jù)存放單元安排單片機將立即數(shù)存放到相應的工作寄存器中，不同的延時子程序里，將不同的立即數(shù)存放到相應的工作寄存器中，以實現(xiàn)不同長度的延時，進而控制電機運行速度，具體數(shù)據(jù)分配如下表：工作寄存器十進制立即數(shù)十六進制立即數(shù)R44028HR5(低速)250FAHR5(中速)12078HR5(高速)5032H5.按鍵及顯示原理系統(tǒng)采用4個撥碼開關用來控制步進電機狀態(tài)轉(zhuǎn)換，分別

9、是總開關、轉(zhuǎn)向控制、中速檔和高速檔，撥碼開關接通時，電源通過上拉電阻和開關到單片機I/O口形成通路，給單片機送入一個高電平，高電平即為有效電平。狀態(tài)指示采用6個發(fā)光二極管分別表示步進電機的啟動停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、低速運行、中速運行和高速運行狀態(tài)，發(fā)光二極管正極接電源，負極接單片機I/O口，同時，每個發(fā)光二極管需要接限流電阻起保護作用。6.中斷處理當CPU檢測到與撥碼開關相連引腳電平的變化時，停止當前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而跳至標號處去執(zhí)行中斷請求所對應的程序，當執(zhí)行完中斷程序后，CPU跳回先前所執(zhí)行的程序。四、主要芯片說明及硬件線路主要功能：4k 字節(jié)FLASH 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32

10、 個I/O 口線，2 個16 位定時/計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51 降至0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式。空閑方式體制CPU 的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器體制工作并禁止其他所有不見工作直到下一個硬件復位。引腳功能說明：Vcc：電源電壓GND：地P0 口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。除此之外

11、，P0口還有第二功能，P0口的第二功能是作為地址/數(shù)據(jù)分時復用總線。P1 口：P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。有輸入、輸出、端口操作3種工作方式對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。與P0口類似，P2口也有第二功能P2口的第二功能是高8位地址總線。P3 口：P3 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻

12、的8 位雙向I/O 口，P3 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。P3口除了作為一般的I/O口外，其還帶有第二功能，具體如下表：端口引腳第二功能RXD (串行輸入口)TXD (串行輸出口)INT0 (外中斷0)INT1 (外中斷1)T0 (定時/計數(shù)器0)T1 (定時/計數(shù)器1)WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸

13、出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。PSEN：程序存儲允許輸出是外部程序存儲器的讀選通型號，當89C51 由外部存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN 信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。ULN2003 是耐高壓大電流、內(nèi)部由七個硅NPN 達林頓管組成的驅(qū)動芯片。 經(jīng)常在顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服

14、電機、步進電機驅(qū)動等電路中使用。ULN2003 的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 的封裝采用DIP16 或SOP16ULN2003A在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。ULN2003的輸出端允許通過IC 電流200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。輸出電

15、流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器(SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。ULN2003可以驅(qū)動7個繼電器,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開關型感性負載。每對達林頓管的額定集電極電流是500mA，達林頓對管還可并聯(lián)使用以達到更高的輸出電流能力。五、軟件編程2.按鍵、指示燈功能及接口此步進電機控制系統(tǒng)共有4個撥碼開關，具體功能與接口如下表：撥碼開關名稱功能與AT89C51相連的接口S1總開關S2正反轉(zhuǎn)選擇S3中速檔選擇S4高速檔選擇步進電機控制系統(tǒng)共有6個LED指示燈，具體功能與接口如下表：LED指示燈名稱功能與AT89C51相連的接口D1指示步進電機啟動與

16、否D2指示步進電機運行于正轉(zhuǎn)模式D3指示步進電機運行于反轉(zhuǎn)模式D4指示步進電機工作于低速模式D5指示步進電機工作于中速模式D6指示步進電機工作于高速模式BAEBBBCBDORG 0000HLJMP MAINORG 0100HMAIN:MOV SP,60HACALL DELAYWAIT:MOVP2,0FFHJNB P0.0,WAITJB P0.1,FARUNSMRUN:SETBMOV P1,#03HACALL DELAYMOV P1,#06HACALL DELAYMOV P1,#0CHACALL DELAYMOV P1,#09HJB P0.1,FARUNJNB P0.0,MAINSJMP SMR

17、UNFARUN:SETBMOV P1,#03HACALL DELAYMOV P1,#09HACALL DELAYMOV P1,#0CHACALL DELAYMOV P1,#06HJNB P0.1,SMRUNJNB P0.0,MAINDELAY:MOV R5,#40SETBSETBSETBJB P0.2,DELAY2JB P0.3,DELAY3DELAY1:CLRMOV R4,#1000DJNZ R4,$DJNZ R5,DELAY1RETDELAY2:CLRMOV R4,#500DJNZ R4,$DJNZ R5,DELAY2RETDELAY3:CLRMOV R4,#250DJNZ R4,$DJN

18、Z R5,DELAY3RET六、總結(jié)這次單片機的課程設計，我們的課題是步進電機控制系統(tǒng)的設計，步進電機是一種在工業(yè)控制中常用的電機，而與我們這學期所學的單片機進行相結(jié)合的控制系統(tǒng)，在控制工程中更是典型的基礎范例。其實，這次課程設計的課題并不算非常難，整體設計思路較為明確，用單片機AT89C51對步進電機的啟動停止、轉(zhuǎn)向和速度進行選擇控制。雖說總體邏輯比較清晰，但在實際的編程過程中，各個細節(jié)方面還是遇到了不少問題，當步進電機運行于低速正轉(zhuǎn)的運行狀態(tài)時，如何判斷總開關是否被關閉？或是如何判斷正反轉(zhuǎn)選擇是否改變？這些提高系統(tǒng)實用性的按鍵掃描相關程序是必須要考慮的，而在對按鍵掃描及程序跳轉(zhuǎn)的相關編程上，需要進一步注意的便是相應跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)長度，正因為是這方面的問題，而導致了程序調(diào)試出了很多難以發(fā)現(xiàn)的錯誤，不過在對相關資料進行查詢后，最終排除了這些錯誤；除此之外，在點亮LED燈的程序上，對單片機相應I/O口置0還是置1的問題上出現(xiàn)了分歧，不過在實驗室親自調(diào)試過后，這個問題也得到了解決，實驗室里的仿真器LED是